Un nuovo chip fotonico può raddoppiare la frequenza (f) della luce in ingresso utilizzando un anello circolare di 23 micron di diametro. L'anello è progettato per generare e trattenere la luce alla frequenza di ingresso e alla sua seconda armonica (2f), proprio come le corde di un pianoforte o i tubi dell'organo possono ospitare armoniche di un singolo tono. Il colore indica le creste e gli avvallamenti del campo luminoso, simile allo schema di spostamento di una corda di pianoforte quando suona. Credito:Xiyuan Lu/NIST e UMD
L'era digitale ha visto l'elettronica, compresi i chip per computer, rimpicciolirsi a una velocità incredibile, con chip sempre più piccoli che alimentano dispositivi come smartphone, laptop e persino droni autonomi. Sulla scia di questo progresso, un'altra tecnologia in miniatura sta prendendo piede:la fotonica integrata.
fotoni, quali sono le particelle quantistiche della luce, avere alcuni vantaggi rispetto agli elettroni, gli omonimi dell'elettronica. Per alcune applicazioni, i fotoni offrono un trasferimento di informazioni più rapido e accurato e consumano meno energia degli elettroni. E poiché la fotonica su chip è in gran parte costruita utilizzando la stessa tecnologia creata per l'industria elettronica, portano la promessa di integrare elettronica e fotonica sullo stesso chip.
Piccoli chip fotonici sono già stati adottati in molti luoghi, comprese le reti di telecomunicazioni (si pensi a Internet in fibra ottica) e i grandi data center (si pensi all'interfacciamento della fibra ottica con l'elettronica). Altre industrie sono sul punto di trarre vantaggio dalla fotonica, con i produttori di automobili a guida autonoma che sviluppano chip radar basati sulla luce. Però, molti strumenti che sono ben consolidati nell'ottica tradizionale:cose che utilizzano laser, obiettivi e altre apparecchiature ingombranti, non hanno ancora un analogo fotonico compatto. Per strumenti futuristici come computer quantistici basati sulla luce o orologi ottici portatili, resta ancora da lavorare per impacchettare tutto insieme.
Ora, i ricercatori di JQI hanno aggiunto un nuovo strumento al toolkit di fotonica:un modo per usare il silicio, il materiale nativo per gran parte dell'elettronica digitale e della fotonica, per raddoppiare efficacemente la frequenza della luce laser. Combinando due tecniche esistenti, il team ha ottenuto un'efficienza di raddoppio della frequenza 100 volte maggiore rispetto agli esperimenti precedenti con i composti di silicio. Hanno dettagliato i loro risultati in un articolo pubblicato sulla rivista Fotonica della natura .
Le onde luminose sono costituite da fotoni, ma portano anche una frequenza. I nostri occhi vedono una piccola frazione di queste frequenze come i colori dell'arcobaleno, ma microonde, Anche i raggi X e le onde radio (tra gli altri) abitano questo spettro. Raddoppiare la frequenza della luce è un modo per convertire tra queste diverse gamme. Nel nuovo lavoro, il team ha dimostrato un raddoppio della luce infrarossa, comunemente usata nelle telecomunicazioni ottiche, alla luce rossa, il linguaggio di orologi atomici molto precisi.
Il raddoppio della frequenza è un effetto che può verificarsi quando la luce interagisce con il mezzo che sta attraversando, sia aria, acqua o silicone. A seconda delle proprietà di questi materiali, un po' di luce può essere raddoppiata, triplicato, o, in casi estremi, moltiplicato a gradi ancora più alti, come una nota musicale che genera anche un po' di suono, Due, o diverse ottave in su. Scegliendo il materiale giusto, e illuminandolo nel modo giusto, i ricercatori possono ottenere l'armonica di cui hanno bisogno.
Sfortunatamente, silicio e composti di silicio, i materiali scelti per il routing della luce su un chip a causa della maturità della produzione di silicio e della facilità di integrazione con l'elettronica, non supportano intrinsecamente il raddoppio della frequenza. La struttura cristallina è troppo uniforme, il che significa che sembra lo stesso in tutte le direzioni. Questo vieta l'effetto sdoppiamento, che si basa sugli elettroni nel materiale che si spostano in un modo più che in un altro sotto l'influenza della luce. Ma una volta che la luce è confinata in una minuscola traccia su un chip, le cose diventano un po' meno uniformi:dopotutto, l'aria è sempre vicina, e non sembra affatto un cristallo di silicio. Così, una piccola quantità di luce raddoppiata in frequenza viene generata, ma di solito non basta essere utili.
Nel nuovo lavoro, un team guidato da JQI Fellow Kartik Srinivasan, un membro del National Institute of Standards and Technology (NIST), e ricercatore postdottorato NIST e UMD Xiyuan Lu, combinato due tecniche precedentemente esplorate per costruire su questo piccolo effetto, generando 100 volte più luce raddoppiata in frequenza rispetto a qualsiasi precedente esperimento sul silicio. Inoltre, il loro raddoppio è avvenuto con un'efficienza del 22%, abbastanza apprezzabile da essere utile nelle applicazioni.
Il primo trucco è stato catturare la luce in un risonatore, facendo girare la luce in tondo e attivando il minuscolo effetto di raddoppiamento più e più volte. Per realizzare questo, i ricercatori hanno prima instradato la luce laser nel vicino infrarosso in una fibra ottica. La fibra ha quindi proiettato la luce in una guida d'onda di nitruro di silicio stampata su un chip di silicio. Questa guida d'onda ha portato a un'altra guida d'onda, che è stato avvolto in un cerchio di soli 23 micron di diametro. Il risonatore circolare, che è stato progettato per catturare la luce in arrivo e farla circolare, ha permesso che un piccolo raddoppio di frequenza si verificasse più e più volte. Un'altra guida d'onda dritta, sull'altro bordo del risonatore, è stato sintonizzato per portare via la luce raddoppiata in frequenza.
Il secondo trucco consisteva nel rendere il silicio meno uniforme polarizzandolo con un campo elettrico. Per fortuna, non era effettivamente necessario alcun campo esterno:la piccola quantità di luce raddoppiata in frequenza, combinato con la luce della pompa a infrarossi originale, ha fatto sì che gli elettroni nel risonatore si raccogliessero ai bordi, creando un campo elettrico costante. Questo campo ha notevolmente migliorato la capacità di raddoppio della frequenza del nitruro di silicio.
"È un processo di feedback, "dice Srinivasan, "perché un po' di luce raddoppiata di frequenza e la luce della pompa iniziano a creare il campo elettrico costante, rendere più forte il processo di raddoppio della frequenza, che a sua volta crea più luce raddoppiata in frequenza. Quindi sia la luce della pompa che la luce a frequenza raddoppiata stanno circolando in questo anello, e c'è questa enorme capacità di prendere questa cosa che è iniziata come estremamente debole, e poi rendilo effettivamente un effetto piuttosto forte."
Far funzionare entrambi questi effetti sullo stesso dispositivo non è stato facile. Non solo l'anello del risonatore deve essere esattamente della dimensione giusta per intrappolare la pompa e la luce a frequenza raddoppiata, la luce deve anche accumularsi nel modo giusto nel risonatore. Per realizzare questo, sono necessarie simulazioni dettagliate e una produzione precisa in una camera bianca. Ma una volta fabbricato un dispositivo così accurato, tutto quello che devi fare è inviare la luce della pompa, e osservare la frequenza raddoppiata della luce in uscita.
"Per consentire un'interazione efficiente tra luce e materiale, la luce di diversi colori deve vivere a lungo e anche muoversi esattamente alla stessa velocità, "dice Lu, "Il nostro dispositivo implementa questi due fattori chiave nel raddoppio della frequenza fotoindotto, che aumenta significativamente l'efficienza energetica di questo processo."
Questo dispositivo è un altro passo in una lunga ricerca per ottenere un portatile, orologio atomico ultra preciso. "Questi orologi ottici sono questi incredibili dispositivi di cronometraggio, ma di solito sono in un grande laboratorio, " dice Srinivasan. "Se potesse essere in un piccolo pacchetto potrebbe andare su auto o droni o altri veicoli. Il tempismo è alla base di molte importanti applicazioni di navigazione, e per la maggior parte, Ora, le persone si affidano ai segnali GPS. Ma ci sono tutti i tipi di possibilità che ci possa essere qualcosa in mezzo, e non puoi acquisire quei segnali, o qualcuno falsifica il segnale. Così, avere strumenti di cronometraggio portatili che potrebbero davvero darti un tempo accurato e preciso per lunghi tratti prima che tu abbia bisogno di un segnale di sincronizzazione dal GPS è significativo."
Anche se non è la star dello spettacolo, il raddoppio della frequenza è un componente necessario negli orologi atomici ottici. Questi orologi producono un battito estremamente regolare, ma a frequenze ottiche:centinaia di trilioni di oscillazioni del campo luminoso al secondo. L'elettronica convenzionale non può interfacciarsi direttamente con quel segnale, quindi per ridurre questa precisione a una frequenza intelligibile (solo miliardi di oscillazioni al secondo) gli scienziati usano pettini di frequenza, sorgenti laser con "denti" di frequenza a intervalli perfettamente regolari, un'invenzione che nel 2005 ha vinto il premio Nobel per la fisica.
Per essere utile, questi pettini di frequenza devono essere calibrati:ogni dente nel pettine deve essere etichettato con un valore di frequenza specifico. Il modo più semplice e comune per calibrarli è prendere il dente più basso del pettine, frequenza doppia, e confronta con il dente più alto:dà la frequenza del dente più basso. Insieme a una semplice misurazione della distanza tra i denti, gli scienziati possono usarlo per dedurre l'esatta frequenza di ciascun dente.
Recentemente, diversi pezzi degli orologi atomici sul chip, tra cui minuscole celle a vapore atomico e pettini di frequenza su chip, sono stati ottenuti nella fotonica a base di silicio. Però, la calibrazione del raddoppio di frequenza veniva precedentemente eseguita con ottiche ingombranti o utilizzando materiali meno compatibili con il silicio. "Almeno concettualmente, "dice Srinivasan, "siamo un passo più vicini a un pettine di frequenza calibrato in un pacchetto davvero compatto. C'è ancora del lavoro da fare per essere davvero in grado di mettere insieme queste cose, ma siamo più vicini a un orologio atomico ottico compatto di quanto non lo fossimo prima".
